基于ARM-LINUX的多網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)

貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 吳偉堅 陳世國

1 引言

在1999年，美國麻省理工學(xué)院（MIT）的Kevin Ash-ton教授首次提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念（the internet of Things，IOT），與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的技術(shù)得到快速發(fā)展，這段時期被稱為信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮[1]。許多物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域都得以發(fā)展，如智能家居、智能醫(yī)療、工業(yè)4.0等。在各種應(yīng)用領(lǐng)域里面，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所面臨的“物”不一樣和處理“物”產(chǎn)生數(shù)據(jù)的處理系統(tǒng)不一樣外，它所面臨的數(shù)據(jù)識別、分類和傳輸?shù)膯栴}原理都是一樣的。對于人類的信息、物體的信息和環(huán)境的信息是多種多樣，采集的設(shè)備和采集的方式也是多種多樣。這些種類和數(shù)量繁多的設(shè)備組建的網(wǎng)絡(luò)群之間的通信和數(shù)據(jù)交互都需要一定方法來確?？尚?，這種方法就是制定相關(guān)協(xié)議和本文所論述的協(xié)議轉(zhuǎn)換的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)。在互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)中，所面對的一直是TCP/IP協(xié)議類型的網(wǎng)絡(luò)，但在物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)中，TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)只是所連接的網(wǎng)絡(luò)其中之一，其還包括很多傳輸方式所組成的網(wǎng)絡(luò)，如有線網(wǎng)絡(luò)can總線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)zigbee網(wǎng)絡(luò)等。

2 Arm-linux平臺簡介

網(wǎng)關(guān)（Gateway）常被稱為協(xié)議轉(zhuǎn)換器，它是一個網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)出口，同時他連接著別的網(wǎng)絡(luò)。在物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)中，其所連接的網(wǎng)絡(luò)的類型都是不相同的。因此它必須支持不同類型網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧。

本文所設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)是基于arm-linux平臺。其采用S3C2440芯片作為中央處理器，64M的SDRAM作為的內(nèi)存芯片，nandflash作為長久存儲芯片，DM 9000作為網(wǎng)卡芯片的一個硬件平臺。S3C2440芯片是以ARM 920T為核心的16/32位精簡指令集微處理器，其內(nèi)核由存儲管理單元、高速緩存和DMI三部分組成，具有獨立的16KB指令高速緩存和16KB數(shù)據(jù)高速緩存。ARM 920T實現(xiàn)了MMU，AMBA總線和哈佛結(jié)構(gòu)高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。在軟件平臺上面是采用嵌入式linux平臺，嵌入式linux的特點除了開源外，還有是系統(tǒng)功能、大小可裁剪。嵌入式linux系統(tǒng)可分為：用戶進程、系統(tǒng)調(diào)用接口、內(nèi)核、硬件層。其中Linux系統(tǒng)內(nèi)核則由進程管理模塊、內(nèi)存管理模塊、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、硬件驅(qū)動管理模塊、系統(tǒng)調(diào)用這六大部分組成。文章在運行嵌入式linux系統(tǒng)的S3C2440芯片平臺上連接了TCP/IP協(xié)議類型網(wǎng)絡(luò)、can總線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)zigbee網(wǎng)絡(luò)。其連接方式和網(wǎng)絡(luò)特點將在下章介紹。

3 不同類型協(xié)議間轉(zhuǎn)換介紹

3.1 TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)

TCP/IP協(xié)議與7層的OSI參考模型不同，只有精簡的四層協(xié)議層。它們分別是：網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)際層、傳輸層和應(yīng)用層。很多人以為TCP/IP協(xié)議是指TCP協(xié)議和IP協(xié)議，但準(zhǔn)確來說，它是指TCP/IP協(xié)議簇。這協(xié)議族有四層：網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)際層、傳輸層、應(yīng)用協(xié)議層，其中TCP協(xié)議在傳輸層，而包含IP地址的IP協(xié)議則在網(wǎng)際層。在連接互聯(lián)網(wǎng)的IP主機都必須具備實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧。而嵌入式linux系統(tǒng)里已經(jīng)包含TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，當(dāng)我們需要TCP/IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)時，則利用其已經(jīng)實現(xiàn)好的socket網(wǎng)絡(luò)通訊機制。Socket套接字編程的體現(xiàn)方式是linux系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用接口，利用相關(guān)的函數(shù)接口即可聲明套接字，配置套接字。

圖1 can總線組網(wǎng)圖

3.2 CAN總線傳輸介紹

CAN總線是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network，AN)總線的簡稱，它使用兩根電纜來傳輸電信號的，它們分別成為CAN_H，CAN_L，其傳輸方式與USB總線的“差分傳輸”相似，都是根據(jù)兩個電纜之間的電壓差來判斷電平的高低。當(dāng)總線上連接多個控制器傳輸數(shù)據(jù)的時候，便構(gòu)成了can總線網(wǎng)絡(luò)。S3C2440芯片平臺上雖然不支持can總線控制器，但可以通過該平臺支持的spi總線與can總線之間做轉(zhuǎn)換。本文選用的是Microchip公司的MCP2515芯片作為spi總線與can總線之間的轉(zhuǎn)換器。在linux內(nèi)核驅(qū)動的編寫中，編寫can總線設(shè)備驅(qū)動則變成了編寫spi設(shè)備驅(qū)動，在can總線的應(yīng)用層協(xié)議中，我們采用canopen協(xié)議棧來對can總線網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備進行區(qū)分（見圖1）。

3.3 Zigbee組網(wǎng)傳輸

Zigbee網(wǎng)絡(luò)是基于國際通用的IEEE802.15.4的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)組建的無線網(wǎng)絡(luò)，其有著數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、成本低、距離短、功耗少等特點。Zigbee網(wǎng)絡(luò)中主要有三種設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點和路由節(jié)點。協(xié)調(diào)器的作用是啟動網(wǎng)絡(luò)和作為整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)出入口，路由器的功能是加入設(shè)備進入網(wǎng)絡(luò)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，其實協(xié)調(diào)器啟動zigbee網(wǎng)絡(luò)后，它的功能就和路由器一樣了。而終端節(jié)點的作用是收集和發(fā)送數(shù)據(jù)，它是一般電子設(shè)備連入zigbee網(wǎng)絡(luò)的作用點。作為zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)出入口的協(xié)調(diào)器，德州儀器公司TI開發(fā)的CC2530芯片應(yīng)用2.4-GHz頻段(IEEE 802.15.4)、Zigbee和RF4CE于一體，有著性能高、價格低的特點，也是本文設(shè)計網(wǎng)關(guān)所采用的zigbee協(xié)調(diào)器芯片。那么S3C2440芯片與CC2530芯片通信的方式我們采用的是串口相互連接，那么zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的驅(qū)動對應(yīng)linux內(nèi)核驅(qū)動模型則變成了串口UART的驅(qū)動了。

圖2 zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備圖

4 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

4.1 網(wǎng)關(guān)架構(gòu)介紹

物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的作用其實就是把一個網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)絡(luò)去。文章利用arm-linux嵌入式平臺作為網(wǎng)關(guān)程序載體，其采用S3C2440芯片及其他模塊作為硬件平臺，linux操作系統(tǒng)作為軟件平臺。在硬件上若是要新增模塊，那么在linux內(nèi)核中則需要編寫相應(yīng)的控制驅(qū)動，如can總線控制器的驅(qū)動和zigbee控制器驅(qū)動等，S3C2440芯片硬件平臺不支持這兩種方式，但可以通過總線轉(zhuǎn)換的方式來支撐這兩種網(wǎng)絡(luò)。其運行時基于嵌入式linux操作系統(tǒng)平臺的，它的程序架構(gòu)如圖3所示。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)功能架構(gòu)圖

網(wǎng)關(guān)程序利用了linux操作系統(tǒng)最優(yōu)秀的文件監(jiān)聽機制epoll機制來完成，并利用線程池技術(shù)來執(zhí)行相關(guān)網(wǎng)關(guān)IO操作。網(wǎng)關(guān)程序架構(gòu)可分為：（1）epoll事件監(jiān)聽層：它的作用是對TCP/IP網(wǎng)絡(luò)層所連接上的socket套接字、zigbee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備文件和CAN總線網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備文件進行監(jiān)聽，若epoll機制監(jiān)聽的設(shè)備文件有數(shù)據(jù)讀寫時間產(chǎn)生則調(diào)用其處理函數(shù)，這種處理程序的功能其實就是把數(shù)據(jù)包掛載在數(shù)據(jù)包隊列里，然后把處理數(shù)據(jù)包的函數(shù)放到線程池的工作隊列里；（2）數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換層：這一層的實現(xiàn)是利用了線程池技術(shù)完成。線程池的工作隊列其實就是調(diào)用協(xié)議棧函數(shù)接口來對數(shù)據(jù)包解析，其中從哪個網(wǎng)絡(luò)來的數(shù)據(jù)包就采用哪個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧函數(shù)來解析。它和網(wǎng)絡(luò)層的程序交互非常密切，其作用也是解析一種網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的數(shù)據(jù)包，根據(jù)解析結(jié)果得出將要到哪里去，然后調(diào)用下一站網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧進行數(shù)據(jù)的協(xié)議封包，然后下放給該網(wǎng)絡(luò)層進行發(fā)送；（3）各類型網(wǎng)絡(luò)層：這一層封裝了各個協(xié)議內(nèi)容實現(xiàn)的協(xié)議棧程序，并包含了對上層應(yīng)用調(diào)用的應(yīng)用接口和對下層實現(xiàn)控制的驅(qū)動。它包括TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層、can總線網(wǎng)絡(luò)層、zigbee網(wǎng)絡(luò)層。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)各網(wǎng)絡(luò)連接圖

4.2 網(wǎng)關(guān)工作流程分析

網(wǎng)關(guān)啟動時，對網(wǎng)關(guān)自身硬件、用戶設(shè)計和連接的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等初始化后，便進入了工作狀態(tài)。初始化時，網(wǎng)關(guān)主程序利用linux操作系統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)用接口epoll_create()創(chuàng)建了一個epoll池，并利用epoll_ctl()把初始化時所連接的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)socket套接字和CAN總線控制器MCP2515的設(shè)備文件（也就是S3C2440里SPI總線下的設(shè)備文件）、zigbee協(xié)調(diào)器CC2530的設(shè)備文件（也就是串口設(shè)備文件）和相應(yīng)的事件處理任務(wù)放到epoll池里監(jiān)聽。在主程序while循環(huán)中利用epoll_wait()函數(shù)等待所監(jiān)聽設(shè)備文件或套接字的數(shù)據(jù)讀寫事件發(fā)生。

當(dāng)某個網(wǎng)絡(luò)有數(shù)據(jù)傳到網(wǎng)關(guān)時，epoll監(jiān)聽機制監(jiān)聽到的socket套接字或是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備文件有數(shù)據(jù)產(chǎn)生，并接收該網(wǎng)絡(luò)穿來的數(shù)據(jù)并調(diào)用相應(yīng)的協(xié)議棧進行解析。網(wǎng)關(guān)程序解析完某個網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的協(xié)議包后應(yīng)得到信息是到這個包的數(shù)據(jù)下一個目的地，及網(wǎng)關(guān)所連接的某個網(wǎng)絡(luò)中的某個節(jié)點。

5 測試結(jié)果

多網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)計完成后，利用自身所連接網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點進行通信測試，為了測試一個網(wǎng)絡(luò)間的節(jié)點能順利與另外網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點進行數(shù)據(jù)收發(fā)，節(jié)點間相互傳輸一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，若成功收發(fā)字節(jié)數(shù)據(jù)，則標(biāo)識為“互通”。其結(jié)果如表1所示：

表1 各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間通信結(jié)果表

6 結(jié)束語

本文以物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)為應(yīng)用背景，根據(jù)了TCP/IP協(xié)議傳網(wǎng)絡(luò)、CAN總線網(wǎng)絡(luò)和zigbee網(wǎng)絡(luò)的傳輸方式，整合了這三種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互的方式，并闡述了ARM-linux平臺中對網(wǎng)關(guān)程序的設(shè)計?；ヂ?lián)網(wǎng)以TCP/IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，而設(shè)備互聯(lián)需要以適合的方式傳輸?shù)侥芎突ヂ?lián)網(wǎng)連接的網(wǎng)關(guān)。如果設(shè)備是以有線的方式傳輸數(shù)據(jù)，以CAN總線網(wǎng)絡(luò)連接網(wǎng)關(guān)為宜，若設(shè)備是以無線方式傳輸數(shù)據(jù)，則利用zigbee組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)。同時，多網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)在許多應(yīng)用領(lǐng)域，如智能醫(yī)療、智能家居等行業(yè)，有著良好的使用價值和市場推廣價值。

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